JP2023076155A - 金属音響整合層及びトランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子で発生した熱を音響媒体に放出し、かつ、加熱された場合でも音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑制する。【解決手段】金属で構成されて音響媒体へ音波を伝達する金属音響整合層であって、音波を入力する入力端と、音響媒体に面して音波を放射する出力端と、前記出力端から所定の厚さで形成された質量部と、前記質量部に接する充填材を内部に有する音響インピーダンス変換部と、を有し、前記充填材は、前記音響インピーダンス変換部及び前記質量部を構成する材料とは異なる材料で構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、音響整合層を介して音波を送波するトランスデューサに関する。

魚群探知機やソーナー、音響通信装置などの音響装置においては、音響性能の向上のために音響出力のハイパワー化が必要とされている。音響装置をハイパワー化するためには、電気信号を機械振動に変換する圧電振動子への入力電気信号を大きくすればよいが、機械振動が大きくなると圧電振動子の発熱も大きくなり音響特性が劣化する。

圧電振動子を直接音響媒体等で冷却する手法も考えられるが、水中の音響装置の音響媒体である水（音響インピーダンス：１．５Ｍｒａｙｌｓ）と圧電振動子（音響インピーダンス：２０－３０Ｍｒａｙｌｓ）の音響インピーダンスが異なるため、音響媒体との境界面で音波が反射する。この境界面での反射を抑制するために音響整合層を水等の音響媒体と圧電振動子の間に挿入する技術が知られている（例えば、特許文献１、２）。音響整合層には水と圧電振動子の間の音響インピーダンスとなる材料を挿入するが、樹脂系の材料に金属あるいは酸化物などのフィラーを混入した複合材が広く採用されている。

特許文献１には、放熱のための金属整合層と冷却用音響媒体を採用する技術が開示されている。また、特許文献２には、音響インピーダンス整合のために、多数の先細柱状体からなる第１の音響整合層に、音響インピーダンスの異なる第２の音響整合層を充填させ、音響インピーダンスを圧電振動子から音響媒体に向けて徐々に変化させていく技術が開示されている。

特開昭６２－１５５０００号公報 特開平１１－８９８３５号公報

音響整合層としては音響媒体である水と圧電振動子の間の音響インピーダンスとなる材料を採用するが、樹脂系の材料に金属あるいは酸化物などのフィラーを混入した複合材が広く採用されている。しかしながら、樹脂は金属と比較すると、体積や弾性率が温度で大きく変化するため、密度と音速で決定する音響インピーダンスも温度で変化することになり、ハイパワーでの音響出力時に音響の整合が困難になるという問題があった。

上記特許文献１では、音響整合層の金属材料が圧電振動子よりも小さな音響インピーダンスと記載されているだけであり、また金属の音響整合層は現存するバルク状の金属を前提に考慮されているだけであるため、採用できる金属材料が限定されてしまい設計の自由度が少なく、音響特性の広帯域化が望めない。

また、特許文献２では、音波を音響媒体へ放射する第１の音響整合層の尖端部が細くなっているため、音響の放射効率が悪いという問題があった。また、特許文献２の第１の音響整合層と第２の音響整合層の材料を音響インピーダンスのパラメータだけで決定しているが、特に金属を第１の音響整合層に採用した場合、ある条件下で広帯域化が望めないという問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、圧電振動子で発生した熱を音響媒体に放出し、かつ、加熱された場合でも音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑制することを目的とする。

本発明は、金属で構成されて音響媒体へ音波を伝達する金属音響整合層であって、音波を入力する入力端と、音響媒体に面して音波を放射する出力端と、前記出力端から所定の厚さで形成された質量部と、前記質量部に接する充填材を内部に有する音響インピーダンス変換部と、を有し、前記充填材は、前記音響インピーダンス変換部及び前記質量部を構成する材料とは異なる材料で構成される。

したがって、本発明は、音響整合層に金属を採用することにより、圧電振動子で発生した熱を音響媒体に放出し、かつ、熱が加わっても音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑制することで高温時でも安定した音響特性を実現できる。また、音響インピーダンス変換部の形状を変化させることにより、様々な種類の金属材料を採用して音響媒体との音響整合が可能となり、設計の自由度を増大して音響の広帯域化が容易になる。

本明細書において開示される主題の、少なくとも一つの実施の詳細は、添付されている図面と以下の記述の中で述べられる。開示される主題のその他の特徴、態様、効果は、以下の開示、図面、請求項により明らかにされる。

本発明の実施例１を示し、トランスデューサの一例を示す斜視断面図である。 本発明の実施例１を示し、振動子の一例を示す断面図である。 本発明の実施例１を示し、充填材の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例１を示し、音響インピーダンス変換部の一例を示す斜視図である。 本発明の実施例１を示し、振動子の要部を示す断面図である。 本発明の実施例１を示し、屈曲振動のモデルを示す図である。 本発明の実施例１を示し、振動のモデルを示す図である。 本発明の実施例１を示し、質量部の有無に応じた音響インピーダンス変換部の音響透過率と周波数の関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、質量部の厚さに応じた音響インピーダンス変換部の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、充填材の有無に応じた音響インピーダンス変換部の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、ホーンの形状の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、音響インピーダンス変換部の形状に応じた音響インピーダンス変換部の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、充填材と音響インピーダンス変換部の音速比と上限周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１を示し、充填材と音響インピーダンス変換部の固有音響インピーダンス比と上限周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２を示し、振動子の一例を示す断面図である。 本発明の実施例２を示し、音響インピーダンス変換部の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例３を示し、充填材の斜視図である。 本発明の実施例４を示し、充填材の斜視図である。 本発明の実施例５を示し、トランスデューサの斜視図である。 本発明の実施例６を示し、トランスデューサの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１を示し、金属材料と充填材で構成した音響整合層を有する振動子２を複数用いたトランスデューサ１の一例を示す斜視断面図である。本実施例のトランスデューサ１は、音響媒体としての水中に音波を出力して物体の検出及び測距を行うものである。

トランスデューサ１は方形の箱状に形成された水密ケース１００内に、複数の振動子２を格子状に配置して水中ケーブル１０１と接続し、水中ケーブル１０１から入力された電気信号で振動子２を振動させて音響媒体に音波を出力する。

水密ケース１００は、図中上方に開口部を有し、開口部に面して振動子２の端面を格子状に配置する。水密ケース１００の開口部は振動伝達部材（図示省略）を介して音響媒体（水、海水）に接しており、振動子２が発生した音波を音響媒体に出力する。

なお、格子状に配置された振動子２は、隣り合う振動子２との間に樹脂などで構成された遮音材１０２を配置し、隣り合う振動子２間で振動の伝達を抑制する。また、水中ケーブル１０１は、図示しない制御装置に接続される。また、図示の例では、振動子２を角柱状で形成した例を示すが、振動子２の形状はこれに限定されるものではなく、円柱状などで構成することができる。

図２は、図１に示した振動子２の軸方向の断面図である。振動子２は、図１に示した水密ケース１００側の底面からバッキング５と、圧電振動子４と、金属音響整合層３の順で構成される。

バッキング５は圧電振動子４を支持する部材で構成される。圧電振動子４は電極４１、４２に挟まれて、電極４１、４２に印加された電気信号に応じて振動して音響信号に変換する。圧電振動子４を挟む電極４２の上面には金属音響整合層３が配置される。

金属音響整合層３は、圧電振動子４側の底面を音波を入力する入力端３Ａとし、音響媒体９に面して音波を放射する図中上面を出力端３Ｂとする柱状の部材で構成される。金属音響整合層３は、入力端３Ａで受けた音響信号（振動）を出力端３Ｂへ伝達し、出力端３Ｂにおける音響インピーダンスを音響媒体９と整合させる機能を有する。金属音響整合層３は、例えば、アルミニウム合金等の金属で形成される。

音響インピーダンスを所定の条件に設定するため、金属音響整合層３の内部には充填材６を満たす空間３３と、出力端３Ｂから所定の厚さｔの質量部３２と、空間３３を覆う音響インピーダンス変換部３０と、圧電振動子４側の入力端３Ａから音響インピーダンス変換部３０を接続する基部３１の３つの層を有する。

なお、金属音響整合層３は、基部３１と、空間３３を有する音響インピーダンス変換部３０と、質量部３２の３層を別体で形成し、空間３３へ充填材６を充填した後に、３つの層を接合することで構成してもよい。あるいは、素材を切り替え可能な３Ｄプリンタを用いて、基部３１、充填材６を充填した音響インピーダンス変換部３０及び質量部３２を一体的に形成してもよい。

空間３３に充填される充填材６としては、例えば、シンタクチックフォームのようにガラスや金属あるいは高分子などで構成された中空の微小球を樹脂で固めた複合材を用いることができる。

なお、充填材６としては、後述する音響条件（音響インピーダンスや音速）等を満たす材料であればよくシンタクチックフォームに限定されるものではなく樹脂、金属あるいは複合材料を用いてもよい。また、金属音響整合層３は、音響条件に応じた所望の金属材料を採用することができ、例えば、鉄、アルミニウム、合金等を採用することができる。

なお、金属音響整合層３の構成としては、出力端３Ｂから所定の厚さｔで形成された質量部５２と、質量部５２に接する充填材６を内部に有する音響インピーダンス変換部３０とを有して、充填材６が音響インピーダンス変換部３０、質量部３２及び基部３１を構成する材料とは異なる材料で構成されていればよい。

本実施例の充填材６（及び空間３３）の形状は、図３で示すように、金属音響整合層３の入力端３Ａに向けて閉じた形状の頂点６Ａと、音響媒体９側の出力端３Ｂに向けて開いた端面で構成された開口端６Ｂを有する円環状断面の筒状部材で形成される。充填材６（及び空間３３）の形状は円環状断面の筒状部材に限定されるものではなく、筒状部材の他に板状部材や柱状部材で構成することができる。

なお、基部３１は、入力端３Ａから充填材６の頂点６Ａまでの距離を主に使用する周波数の１／４波長など所定の距離に設定すればよい。

ここで、筒状の充填材６の内周には図４で示すように、音響インピーダンス変換部３０は充填材６の外周を覆うホーン状（又は漏斗状）の部材として形成される。充填材６の外周を覆う音響インピーダンス変換部３０は、充填材６の頂点６Ａに囲まれた平面を入力部３０Ａとし、充填材６の開口端６Ｂの内周に囲まれた平面を出力部３０Ｂとする。なお、ホーン状となる音響インピーダンス変換部３０の部分は出力端３Ｂ側の端面（出力部３０Ｂ）をホーンスロートとし、圧電振動子４側の端面（入力部３０Ａ）をホーンマウスとすることができる。また、充填材６の内周の音響インピーダンス変換部３０の出力部３０Ｂと、充填材６の外周を取り囲む音響インピーダンス変換部３０は質量部３２に接続される。

圧電振動子４が発生した音響出力（音波）は、基部３１から音響インピーダンス変換部３０に入り、入力部３０Ａから出力部３０Ｂに向けて断面積が徐々に縮小する経路を通過した後、質量部３２を通過してから音響媒体９に出力される。

後述するように、入力部３０Ａから出力部３０Ｂに至る音響インピーダンス変換部３０のホーン型の形状と、質量部３２の大きさに応じて金属音響整合層３から音響媒体９に出力する周波数特性等を最適にすることができる。

すなわち、音響整合層に金属を採用することにより、圧電振動子４で発生した熱を音響媒体９へ円滑に放出し、かつ、熱が加わっても金属音響整合層３の音響インピーダンスの変動を抑制して高温時でも安定した音響特性を実現できる。また、入力部３０Ａから出力部３０Ｂに至る音響インピーダンス変換部３０の形状を変化させることにより、金属音響整合層３に様々な種類の金属材料を採用して音響媒体９との音響整合が可能となり、設計の自由度を増大して音響の広帯域化が容易になる。なお、音響インピーダンス変換部３０のホーン型の形状と、質量部３２の大きさについては後述する。

図５は、図１に示した振動子２の要部を示す軸方向の断面図である。図５において、音響インピーダンス変換部３０は、音響媒体９に面した質量部３２を支持する脚部３００として機能する例を示す。

電極４１と電極４２の間に電気信号を入力すると圧電振動子４が振動して音波が発生し、音波は金属音響整合層３の入力端３Ａから音響インピーダンス変換部３０を経由して出力端３Ｂから音響媒体９に放射される。

金属音響整合層３と音響媒体９の間に音響インピーダンスのミスマッチがある場合には、境界面となる出力端３Ｂで音波が反射して、音響媒体９への音波の放射効率が低下する。

このため、本実施例の金属音響整合層３は充填材６を内包する金属製の音響インピーダンス変換部３０で、金属音響整合層３と音響媒体９の間で音響インピーダンスを整合させて、境界面となる出力端３Ｂから音響媒体９へ円滑に音波を放射して、圧電振動子４の放熱と音響特性の向上を図るものである。

金属音響整合層３を構成する金属の密度をρ_Ａとし、音速をＣ_Ａとし、密度ρ_Ａと音速Ｃ_Ａの積を固有音響インピーダンスｚ_Ａとする。そして、金属音響整合層３の固有音響インピーダンスｚ_Ａと金属音響整合層３の断面積Ｓ_Ａの積を音響インピーダンスＺ_Ａとする。ただし、断面積Ｓ_Ａは図５のＣ－Ｃ矢示断面方向の面積とする。

次に、水などの音響媒体９の密度、音速、固有音響インピーダンス、断面積、音響インピーダンスをそれぞれρ_Ｂ、Ｃ_Ｂ、ｚ_Ｂ、Ｓ_Ｂ、Ｚ_Ｂとする。

音響インピーダンス変換部３０のうち質量部３２に接続する経路で最も断面が細くなる部分（図中Ｄ断面）の断面積をＳとすると、断面積Ｓは次の（１）式で表される。

また、圧電振動子４が発生した音波の伝播について、図５のＡ点で計測した金属音響整合層３内の音圧と、図５のＢ点で計測した音響媒体９内の音圧の比をデシベルで表した数値を音響透過率とする。

図５において、充填材６（空間３３）を取り囲む（挟む）音響インピーダンス変換部３０は、音響媒体９に音波を放射する質量部３２を支持する脚部３００として扱うことができる。図６で示すように、圧電振動子４から基部３１を介して脚部３００に伝達された音波は、脚部３００、３００の端部で支持された質量部３２を屈曲振動させる。

ここで、図６のように脚部３００の端部に質量部３２を設けた場合と、質量部３２を設けずに脚部３００の端部から音波を放射した場合の音響透過率の一例を図８に示す。図８は質量部３２の有無に応じた音響インピーダンス変換部３０の音響透過率と周波数の関係の一例を示すグラフである。

図示のグラフでは、音響媒体９の固有音響インピーダンスｚ_B＝１．５Ｍｒａｙｌｓ、金属音響整合層３内の音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンスｚ_Ａ＝１６．７Mｒａｙｌｓ、音速Ｃ_Ａ＝６２３０ｍ／ｓ、充填材６の固有音響インピーダンスｚ_Ｒ＝１．５Ｍｒａｙｌｓ、充填材６の音速Ｃ_ｒ＝６２３０ｍ／ｓとした例を示す。

図８で示すように、質量部３２を設けずに音響インピーダンス変換部３０から音波を放射する場合（図中質量部なし）に比して、音響インピーダンス変換部３０の脚部３００に支持された質量部３２を設けた方（図中質量部あり）が、音響透過率を向上させることが可能となる。

充填材６を囲む脚部３００、３００で質量部３２を支持する構成は、図７で示すようにマス７を支持するバネ８と等価と考えることができる。本願発明者は、図５に示した質量部３２の厚さｔを変化させてバネ－マス振動系の周波数特性について検討した。図９は、質量部３２の厚さｔに応じた音響インピーダンス変換部３０の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。

図９の例では、質量部３２の厚さｔを１ｍｍ～１０ｍｍの間で変化させてトランスデューサ１の使用周波数範囲における共振の影響を検討した。図示のように、質量部３２の厚さｔを変化させることにより、使用周波数範囲内での音響透過率がバネ－マス共振の影響によって向上する厚さｔが存在する。例えば、厚さｔ＝１０ｍｍの場合や厚さｔ＝４ｍｍの場合では、使用周波数範囲内での音響透過率が増大している。

バネ－マス共振周波数は、マス要素の質量部３２の厚さｔと、バネ要素である音響インピーダンス変換部３０（脚部３００）で決定される。このため、厚さｔと脚部３００のバネ定数を適切に設定することで、バネ－マス共振周波数を使用周波数範囲内に設定して音響透過率を向上させることができる。

また、質量部３２の厚さｔを変化させることにより、使用周波数範囲内での音響透過率が屈曲共振の影響によって悪化する厚さｔが存在する。例えば、厚さｔ＝１ｍｍの場合では、使用周波数範囲内の屈曲共振周波数で音響透過率が急減して悪化している。

屈曲共振周波数は、質量部３２の質量と、厚さｔと、質量部３２の幅（脚部３００の間隔）に応じて決定される。このため、屈曲共振周波数が使用周波数範囲外となるように応じて質量部３２の質量及び厚さｔと脚部３００（充填材６又は空間３３）の寸法や形状あるいは材質を適宜変更すればよい。

次に、空間３３と充填材６の関係について説明する。図１０は、充填材６の有無に応じた音響インピーダンス変換部３０の音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。図示例では、充填材６にシンタクチックフォームを採用した場合を実線で示し、空間３３に材料を充填しない場合を破線で示す。

音響インピーダンス変換部３０の空間３３に充填材６を充填させたことで、空間３３を空洞で利用する場合に比して使用周波数範囲内での音響透過率を良好に保つことができる。空間３３を空洞で利用すると、使用周波数範囲内の高周波領域で音響透過率が悪化してしまう。このため、空間３３に充填材６を充填することで音響透過率を向上させる。

次に、充填材６及び音響インピーダンス変換部３０の形状について説明する。充填材６は、図３で示したように、金属音響整合層３の入力端３Ａに向けて閉じた頂点６Ａと、出力端３Ｂ側に向けて開いた底面を有する円筒状の部材（複合材）で構成される。空間３３も充填材６と同じ形状で構成される。

円筒状の充填材６の内側となる音響インピーダンス変換部３０は、図４で示したように入力端３Ａに向けた口径の大きい平面状の入力部３０Ａと、出力端３Ｂに向けた口径の小さい平面状の出力部３０Ｂを構成する。

充填材６の内側の音響インピーダンス変換部３０は、出力部３０Ｂから入力部３０Ａへ向けてホーン形状の部分となり、出力部３０Ｂはホーン形状のスロートに相当し、入力部３０Ａはホーン形状のマウスに相当する。

本実施例では、充填材６の内側の音響インピーダンス変換部３０をホーン形状で構成し、かつ、出力部３０Ｂから入力部３０Ａに至るホーンの形状を曲面で構成する。ホーンの形状は、図１１で示すようにパラメータＴに応じて決定される。

パラメータＴは、ホーンの側面の形状を示す定数でありＴ＝１～∞の間で変化する。パラメータＴとホーンの形状の関係については「電気音響工学概論、川村 雅恭 著、昭晃堂、1983/1/1発行、第７０頁～第７１頁」に記載されているとおりである。

パラメータＴ＝∞の場合、図１１の１点鎖線で示すようにホーンの形状はコニカルとなり、軸方向の断面は台形状となり、ホーンスロートからホーンマウスに向けてホーンの側面は直線の斜面となり、円錐台の立体となる。

パラメータＴ＝０の場合、図１１の２点鎖線で示すようにホーンの形状はカテノイダルとなり、ホーンスロートからホーンマウスに向けて曲率が最も大きい曲線の外周となり、図４で示すように、音響インピーダンス変換部３０の側面は曲面となる。

パラメータＴ＝０．５の場合、図１１の実線で示すようにホーンの形状はハイパボリックとなり、ホーンスロートからホーンマウスに向けて曲率はカテノイダルよりも小さくなる。さらに、パラメータＴ＝１の場合、図１１の破線で示すようにホーンの形状はエクスポネンシャルとなり、ホーンスロートからホーンマウスに向けて曲率はハイパボリックよりも小さくなる。

上記パラメータＴを用いて、図４に示した充填材６の内側の音響インピーダンス変換部３０の形状を、ホーンの径方向の断面積Ｓ（図１１のＳｘ）で定義すると次の（２）式で表される。

ただし、Ｓ０は、図１１のホーンスロート（出力部３０Ｂ）の断面積、ｘはホーンスロートからの距離、ｍはホーンの広がり定数で、音響インピーダンス変換部３０の長さと、間隔で決定されるパラメータである。また、広がり定数ｍは隣同士の充填材６の側面が頂点６Ａで閉じるように設定する。なお、広がり定数ｍは上記「電気音響工学概論」に記載されているとおりである。

図１２は、音響インピーダンス変換部３０の側面の形状と音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。パラメータＴ＝∞のコニカルの場合は、高周波数領域でリップルが発生してしまい使用周波数範囲の音響透過率に悪影響を与えてしまう。

これに対して、パラメータＴ＝０．５のハイパボリックやＴ＝１のエクスポネンシャルオン場合は、使用周波数範囲の音響透過率を良好に保つことができる。したがって、パラメータＴを１以下に設定して、充填材６の内側の音響インピーダンス変換部３０の側面の形状を、筒状の充填材６の軸線に向けて凸状の曲面で構成し、入力部３０Ａの口径（面積）が出力部３０Ｂの口径よりも大きく設定することが好ましい。これにより、高周波数領域でのリップルを抑制して良好な音響透過率を維持することができる。

次に、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の音響条件について検討する。シンタクチックフォーム等の複合材で構成される充填材６は、充填材６の固有音響インピーダンスｚ_Ｒが、音波を放射する音響媒体９の固有音響インピーダンスｚ_Ｂが近い材料で、かつ、充填材６の音速Ｃ_Ｒが音響インピーダンス変換部３０の音速Ｃ_Ａに近い材料が望ましい。

図１３、図１４は充填材６と音響インピーダンス変換部３０及び音響媒体９の関係を示す。図１３、図１４の例では、音響媒体９の固有音響インピーダンスｚ_Ｂ＝１．５Ｍｒａｙｌｓ、音響インピーダンス変換部３０（音響媒体Ａ）の固有音響インピーダンスｚ_Ａ＝１６．７Ｍｒａｙｌｓ、音速Ｃ_Ａ＝６２３０ｍ／ｓ、充填材６の固有音響インピーダンスｚ_Ｒ＝１．８Ｍｒａｙｌｓ、充填材６の音速Ｃ_Ｒ＝２２５０ｍ／ｓとした例を示す。

図１３は、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の音速比（Ｃ_Ｒ／Ｃ_Ａ）と上限周波数の関係を示すグラフである。なお、上限周波数は、振動子２が音響媒体９へ放射可能な周波数の上限値を示す。

図１３は、音響インピーダンス変換部３０の音速Ｃ_Ａ＝６２３０ｍ／ｓ、充填材６の固有音響インピーダンスｚ_Ｒを音響媒体９の固有音響インピーダンスｚ_Ｂ＝１．５Ｍｒａｙｌｓに固定した例を示す。

本実施例では、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の音速比（Ｃ_Ｒ／Ｃ_Ａ）を０．３５以上に設定することで、使用周波数範囲に応じた上限周波数を得て良好な周波数特性を実現することができるのである。これに対して、前記特許文献２では金属整合層を第１の整合層に採用した場合、Ｃｒ／Ｃａ＜０．３５の領域となって周波数特性の広帯域化が望めない。

図１４は、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンス比（ｚ_Ｒ／ｚ_Ａ）と上限周波数の関係を示すグラフである。図示の例では、音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンスｚ_Ａ＝１６．７Ｍｒａｙｌｓ、充填材６の音速Ｃ_Ｒを音響インピーダンス変換部３０と同じ音速Ｃ_Ａ＝６２３０ｍ／ｓに固定した例を示す。

本実施例では、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンス比（ｚ_Ｒ／ｚ_Ａ）を０．７５以下に設定することで、使用周波数範囲に応じた上限周波数を得て良好な周波数特性を実現することができるのである。

以上のように本実施例のトランスデューサ１は、振動子２が音響媒体９へ音波を出力する端面に金属音響整合層３を配置し、金属音響整合層３には音響インピーダンス変換部３０と充填材６及び質量部３２を設けることで、圧電振動子４の放熱と、音響透過率と周波数特性の確保を実現することができる。

金属音響整合層３を圧電振動子４に接触させることで、圧電振動子４の放熱を効率よく行うことが可能となり、圧電振動子４の高出力化を図りながらも音響特性を維持することが可能となる。これにより、高温時でも音響特性が安定した高出力のトランスデューサを提供することが可能となり、音響媒体９が水又は海水の場合、遠方の物体を捕捉することが可能となる。

図１５は第２の実施例を示す振動子２の断面図である。実施例２では、振動子２の金属音響整合層３内に複数の質量部３２、３２０を設けて周波数特性をさらに改善させるものであり、前記実施例１の図２と同一の要素に同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施例の金属音響整合層３は、前記実施例１の質量部３２（第１の質量部）と、金属音響整合層３の出力端３Ｂの間に充填材６０（第２の充填材）と質量部３２０（第２の質量部）を加えたもので、その他の構成は前記実施例１と同様である。

充填材６０は充填材６（第１の充填材）の開口端６Ｂと同様の形状で構成された円筒状部材で、内部の充填材６０は充填材６と同様にシンタクチックフォーム等の複合材が充填される。充填材６と充填材６０は同軸上に配置され質量部３２の厚さｔ１の間隔に設定される。

充填材６０を収容するため金属音響整合層３内には、円筒状の空間３３０が形成される。充填材６０は充填材６と同一の材料で構成することが望ましい。

質量部３２の厚さｔ１は、充填材６の開口端６Ｂから充填材６０の底面までの距離であり、質量部３２０の厚さｔ２は充填材６０の図中上面から出力端３Ｂまでの距離である。

図１６は質量部３２０の有無に応じた音響透過率と周波数の関係を示すグラフである。図中実線が図１５で示した質量部３２に質量部３２０を加えた場合の周波数特性を示し、図中破線が質量部３２０を追加しない場合の周波数特性を示す。

金属音響整合層３内に複数の充填材６、６０を同軸上に配置して、充填材６、６０間の質量部３２と、充填材６０と出力端３Ｂの間の質量部３２０を設けることで、使用周波数範囲内で高周波数領域での音響透過率を向上させることができる。

なお、図１６の例では、質量部３２の厚さｔ１＝５ｍｍ、質量部３２０の厚さｔ２＝１０ｍｍとした例を示す。質量部３２及び質量部３２０の厚さは金属音響整合層３や充填材６、６０の材質及び使用周波数範囲に応じて適宜設定することができる。

なお、金属音響整合層３を制作する際には、音響インピーダンス変換部３０及び基部３１と、質量部３２と、質量部３２０及び空間３３０をそれぞれ別体で形成し、空間３３、３３０にそれぞれ充填材６、６０を充填してから各部を結合すればよい。

図１７は第３の実施例を示す充填材６Ｘの斜視図である。充填材６Ｘは、前記実施例１の円筒状の部材に代わって、砲弾型の柱状部材で構成される。充填材６Ｘは音響インピーダンス変換部３０の内部で、頂点６Ａを圧電振動子４側に向け、底面６Ｃを出力端３Ｂ側に向けて配置される。なお、図示はしないが音響インピーダンス変換部３０内の空間も充填材６Ｘと同様の形状で構成される。その他の構成は、前記実施例１と同様である。

圧電振動子４から出力された音波は、頂点６Ａから底面６Ｃに向けて徐々に断面積が減少する音響インピーダンス変換部３０を通過してから質量部３２を経て音響媒体９に放射される。充填材６Ｘの側面の形状を前記実施例１のホーン形状と同様に構成することにより、音響特性を向上させることができる。

図１８は第４の実施例を示す充填材６Ｙの斜視図である。充填材６Ｙは、前記実施例３の砲弾型の柱状部材の断面を有する板状部材として形成される。充填材６Ｙは音響インピーダンス変換部３０の内部で、頂点６Ａを圧電振動子４側に向け、底面６Ｃを出力端３Ｂ側に向けて配置される。なお、図示はしないが音響インピーダンス変換部３０内の空間も充填材６Ｙと同様の形状で構成される。その他の構成は、前記実施例１と同様である。

圧電振動子４から出力された音波は、頂点６Ａから底面６Ｃに向けて徐々に断面積が減少する音響インピーダンス変換部３０を通過してから質量部３２を経て音響媒体９に放射される。充填材６Ｙの側面の形状を前記実施例１のホーン形状と同様に構成することにより、音響特性を向上させることができる。

図１９は第５の実施例を示すトランスデューサ１の断面斜視図である。本実施例のトランスデューサ１は、前記実施例１の構成に音響窓１０４と絶縁油１０３を加えたものであり、その他の構成は前記実施例１と同様である。

水密ケース１００の開口部には、音響窓１０４が接地され水密ケース１００の内部が密閉される。そして、音響窓１０４と振動子２及び遮音材１０２の間には絶縁油が充填される。

振動子２から出力される音波は絶縁油１０３と音響窓１０４を介して音響媒体９に放射される。音響窓１０４と絶縁油１０３で振動子２を保護することでトランスデューサ１の耐久性を確保することができる。

図２０は第６の実施例を示すトランスデューサ１の断面斜視図である。本実施例のトランスデューサ１は、前記実施例１の構成に樹脂モールド１０５を加えたものであり、その他の構成は前記実施例１と同様である。

水密ケース１００の開口部には、樹脂モールド１０５が充填されて、振動子２の端面及び遮音材１０２を音響媒体９から保護する。振動子２から出力される音波は樹脂モールド１０５を介して音響媒体９に放射される。樹脂モールド１０５で振動子２を保護することでトランスデューサ１の耐久性を確保することができる。
＜結び＞

実施例１～６のトランスデューサ１及び振動子２は、音響整合層を金属とすることにより、圧電振動子４で発生した熱を金属音響整合層３に放熱し、かつ、熱が加わっても金属音響整合層３の音響インピーダンスがほぼ変化しないため、高温時でも安定して音響の整合をとることがかのうとなる。これにより、温度にかかわらず音響特性が安定した大出力のトランスデューサ１を提供することが可能となる。

音響インピーダンス変換部３０の形状を断面積が徐々に縮小するように変化させることにより、どのような金属材料でも音響媒体９との音響整合が可能となり、設計の自由度が増え、広帯域化設計が容易になる。

音響インピーダンス変換部３０の音響媒体９側に単数あるいは複数の質量部３２、３２０を設けることにより、音響放射効率が向上し、広帯域化を実現することができる。

金属音響整合層３の内部では、音響インピーダンス変換部３０とは異なる材料で構成された充填材６を組み合わせることで、金属音響整合層３に適合する音響特性（音響透過率及び周波数特性）を得ることができる。

すなわち、前記従来例では、音響インピーダンスの範囲で２つの材料を規定しているが、本願発明者は、特に音響整合層を金属とした場合、金属と充填材６の音速比の方が特性に大きく寄与することを見いだした。前記従来例では音響特性が著しく劣化する条件が存在するのに対して、実施例１～６のトランスデューサ１では、金属と充填材６の音速比を規定することにより、金属音響整合層３に適合した設計条件を導出することができる。

以上のように、上記実施例１～６の音響整合層は、以下のような構成とすることができる。

（１）金属で構成されて音響媒体９へ音波を伝達する金属音響整合層３であって、音波を入力する入力端３Ａと、音響媒体９に面して音波を放射する出力端３Ｂと、前記出力端３Ｂから所定の厚さｔで形成された質量部３２と、前記質量部３２に接する充填材６を内部に有する音響インピーダンス変換部３０と、を有し、前記充填材６は、前記音響インピーダンス変換部３０及び前記質量部３２を構成する材料とは異なる材料で構成されたことを特徴とする金属音響整合層３。

上記構成により、音響整合層に金属を採用することにより、圧電振動子４で発生した熱を音響媒体９に放出し、かつ、熱が加わっても金属音響整合層３の音響インピーダンスの変動を抑制することで高温時でも安定した音響特性を実現できる。また、音響インピーダンス変換部３０の形状を変化させることにより、様々な種類の金属材料を採用して音響媒体との音響整合が可能となり、設計の自由度を増大して音響の広帯域化が容易になる。

（２）上記（１）に記載の金属音響整合層であって、前記質量部３２は、前記充填材６を挟む前記音響インピーダンス変換部３０に支持されて、前記質量部３２と前記音響インピーダンス変換部３０によって決定されるバネ－マス共振周波数が、予め設定された周波数範囲内に設定されたことを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、バネ－マス共振周波数を使用する周波数範囲内に設定することにより、高周波数領域での音響透過率の低下を抑制して良好な音響特性を得ることができる。

（３）上記（１）に記載の金属音響整合層であって、前記質量部３２は、前記出力端３Ｂと音響インピーダンス変換部３０との間の所定の厚さｔで構成され、かつ、前記質量部３２は前記充填材６を挟む前記音響インピーダンス変換部３０に支持されて、前記質量部３２と、前記音響インピーダンス変換部３０と、前記質量部３２が前記音響インピーダンス変換部３０によって支持される幅で決定される屈曲共振周波数が、予め設定された周波数範囲外に設定されたことを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、屈曲共振周波数を使用する周波数範囲外に設定することにより、高周波数領域での音響透過率の低下を抑制して良好な音響特性を得ることができる。

（４）上記（１）に記載の金属音響整合層であって、前記質量部３２は、前記出力端３Ｂと音響インピーダンス変換部３０との間に複数配置されたことを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、複数の質量部によってバネ－マス共振周波数を効果的に利用することができ、音響特性を向上させることができる。

（５）上記（１）に記載の金属音響整合層であって、前記充填材６の固有音響インピーダンスｚ_Ｒと、前記音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンスｚ_Ａの比ｚ_Ｒ／ｚ_Ａが０．７５以下であって、前記充填材６の音速Ｃ_Ｒと前記音響インピーダンス変換部３０の音速Ｃ_Ａの比Ｃ_Ｒ／Ｃ_Ａが０．３５以上とすることを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の音速比（Ｃ_Ｒ／Ｃ_Ａ）を０．３５以上に設定することで、使用周波数範囲に応じた上限周波数を得て良好な周波数特性を実現することができる。また、充填材６と音響インピーダンス変換部３０の固有音響インピーダンス比（ｚ_Ｒ／ｚ_Ａ）を０．７５以下に設定することで、使用周波数範囲に応じた上限周波数を得て良好な周波数特性を実現することができる。

（６）上記（１）に記載の金属音響整合層であって、前記音響インピーダンス変換部３０は、前記質量部３２に接続する端面から前記入力端３Ａへ向けてホーン形状で構成され、前記ホーン形状の側面は曲面で構成されたことを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、音響インピーダンス変換部３０の形状をホーン形状として断面積が徐々に縮小するように変化させることにより、どのような金属材料でも音響媒体９との音響整合が可能となり、設計の自由度が増え、広帯域化設計が容易になる。

（７）上記（６）に記載の金属音響整合層であって、前記曲面を形成する前記ホーン形状の音響インピーダンス変換部３０の断面積Ｓは、前記質量部３２に接続する端面の面積をＳ０、前記端面からの距離をｘ、ホーンの広がり係数をｍ、ホーンの形状を決定するパラメータをＴとしたとき、上記（２）式で表されることを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、音響インピーダンス変換部３０の形状をホーン形状として断面積が徐々に縮小するように変化させることにより、どのような金属材料でも音響媒体９との音響整合が可能となり、設計の自由度が増え、広帯域化設計が容易になる。

（８）上記（６）に記載の金属音響整合層であって、前記充填材６は、前記入力端３Ａに向けて頂点を有し、音響媒体９側に平面の開口端を有して側面を曲面で構成した筒状部材で構成されたことを特徴とする金属音響整合層。

上記構成により、筒状の充填材６の内周となる音響インピーダンス変換部３０はホーン形状となって断面積が徐々に縮小することで、どのような金属材料でも音響媒体９との音響整合が可能となり、設計の自由度が増え、広帯域化設計が容易になる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、又は置換のいずれもが、単独で、又は組み合わせても適用可能である。

１ トランスデューサ
２ 振動子
３ 金属音響整合層
４ 圧電振動子
３Ａ 入力端
３Ｂ 出力端
５ バッキング
６ 充填材
６Ａ 頂部
６Ｂ 開口端
３０ 音響インピーダンス変換部
３０Ａ 入力部
３０Ｂ 出力部
３１ 基部
３２ 質量部
３３ 空間
４１、４２ 電極
１００ 水密ケース
１０１ 水中ケーブル
１０２ 遮音材

Claims (9)

1. 金属で構成されて音響媒体へ音波を伝達する金属音響整合層であって、
   音波を入力する入力端と、
   音響媒体に面して音波を放射する出力端と、
   前記出力端から所定の厚さで形成された質量部と、
   前記質量部に接する充填材を内部に有する音響インピーダンス変換部と、
   を有し、
   前記充填材は、
   前記音響インピーダンス変換部及び前記質量部を構成する材料とは異なる材料で構成されたことを特徴とする金属音響整合層。
2. 請求項１に記載の金属音響整合層であって、
   前記質量部は、前記充填材を挟む前記音響インピーダンス変換部に支持されて、前記質量部と前記音響インピーダンス変換部によって決定されるバネ－マス共振周波数が、予め設定された周波数範囲内に設定されたことを特徴とする金属音響整合層。
3. 請求項１に記載の金属音響整合層であって、
   前記質量部は、前記出力端と音響インピーダンス変換部との間の所定の厚さで構成され、かつ、前記充填材を挟む前記音響インピーダンス変換部に支持されて、前記質量部と前記音響インピーダンス変換部と前記質量部が前記音響インピーダンス変換部によって支持される幅で決定される屈曲共振周波数が、予め設定された周波数範囲外に設定されたことを特徴とする金属音響整合層。
4. 請求項１に記載の金属音響整合層であって、
   前記質量部は、前記出力端と音響インピーダンス変換部との間に複数配置されたことを特徴とする金属音響整合層。
5. 請求項１に記載の金属音響整合層であって、
   前記充填材の固有音響インピーダンスｚ_Ｒと、前記音響インピーダンス変換部の固有音響インピーダンスｚ_Ａの比ｚ_Ｒ／ｚ_Ａが０．７５以下であって、前記充填材の音速Ｃ_Ｒと前記音響インピーダンス変換部の音速Ｃ_Ａの比Ｃ_Ｒ／Ｃ_Ａが０．３５以上とすることを特徴とする金属音響整合層。
6. 請求項１に記載の金属音響整合層であって、
   前記音響インピーダンス変換部は、
   前記質量部に接続する端面から前記入力端へ向けてホーン形状で構成され、前記ホーン形状の側面は曲面で構成されたことを特徴とする金属音響整合層。
7. 請求項６に記載の金属音響整合層であって、
   前記曲面を形成する前記ホーン形状の音響インピーダンス変換部の断面積Ｓは、前記質量部に接続する端面の面積をＳ０、前記端面からの距離をｘ、ホーンの広がり係数をｍ、ホーンの形状を決定するパラメータをＴとしたとき、
   

   

   で表されることを特徴とする金属音響整合層。
8. 請求項６に記載の金属音響整合層であって、
   前記充填材は、
   前記入力端に向けて頂点を有し、音響媒体側に平面の開口端を有して側面を曲面で構成した筒状部材で構成されたことを特徴とする金属音響整合層。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の金属音響整合層を有するトランスデューサであって、
   前記金属音響整合層の入力端に圧電振動子を設けたことを特徴とするトランスデューサ。

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